स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रकाश स्पेक्ट्रम का अध्ययन है। जब प्रकाश किसी प्रिज्म या विवर्तन ग्रेटिंग से गुजरता है, तो वह अपनी घटक तरंगदैर्ध्यों में फैल जाता है। परिणामी स्पेक्ट्रम में काली रेखाएँ होती हैं जिन्हें अवशोषण रेखाएँ कहा जाता है या चमकीली रेखाएँ होती हैं जिन्हें उत्सर्जन रेखाएँ कहा जाता है। प्रत्येक तत्व रेखाओं का एक अनूठा पैटर्न बनाता है। इन पैटर्नों को पढ़कर खगोलविद यह निर्धारित कर सकते हैं कि कोई तारा, आकाशगंगा या ग्रह किससे बना है।

इस तकनीक को 19वीं शताब्दी में गुस्ताव किरचॉफ और रॉबर्ट बन्सन ने विकसित किया था, जिन्होंने यह दिखाया कि प्रत्येक तत्व की एक विशिष्ट स्पेक्ट्रल पहचान होती है। खगोलविदों ने तुरंत इसे सूर्य पर लागू किया और पृथ्वी पर हीलियम की खोज से पहले ही हीलियम की खोज कर ली। तब से, स्पेक्ट्रोस्कोपी खगोल विज्ञान का सबसे महत्वपूर्ण उपकरण बन गया है।

स्पेक्ट्रोस्कोपी से संरचना से कहीं अधिक जानकारी मिलती है। स्पेक्ट्रल रेखाओं का विस्थापन गति को दर्शाता है। रेखाओं का चौड़ा होना तापमान और दाब को प्रकट करता है। रेखाओं का विखंडन चुंबकीय क्षेत्रों को दर्शाता है। निरंतरता का आकार धूल की उपस्थिति को दर्शाता है। खगोलविदों को खगोलीय पिंडों के भौतिक गुणों के बारे में लगभग सब कुछ स्पेक्ट्रोस्कोपी से ही पता चलता है।

आधुनिक स्पेक्ट्रोग्राफ अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होते हैं। वे किसी तारे के कंपन को मापकर ग्रहों का पता लगा सकते हैं। वे ब्रह्मांड के विस्तार को माप सकते हैं। वे बाह्य ग्रहों के वायुमंडल में जैविक संकेतों की खोज कर सकते हैं। स्पेक्ट्रम एक ब्रह्मांडीय बारकोड है, और खगोलविदों ने इसे पढ़ना सीख लिया है।